第14章 结构非线性分析

第14章结构非线性分析14.1基本概念当作用在结构上的载荷引起结构刚度的重大改变时，要进行非线性分析。引起刚度改变的主要原因是：－应变超过弹性极限（塑性）－大变形，如受力的钓鱼杆－两个物体之间的接触StrainStress14.1基本概念(续)当载荷引起较大的刚度改变，载荷－变形曲线变为非线性。挑战：用线性方程组来求解非线性位移响应。非线性反应线性反应位移外载荷14.1.1非线性求解方案一种方法为将载荷分为一系列增量形式并逐渐施加载荷，同时在每一载荷增量结束时调整刚度矩阵

这一方法的主要问题是随着每一载荷增量的误差积累，引起最终结果引起结构不平衡非线性反应位移外载荷误差计算值14.1.1非线性求解方案(续)ANSYS运用Newton-Raphson算法：－以增量形式逐渐施荷加载－在每一载荷增量中完成平衡迭代来使得增量求解达到平衡14.1.1非线性求解方案(续)－求解平衡方程[KT]{u}={F}-{Fnr}

[KT]

=切线刚度矩阵

{u}

=位移增量{F}

=外部载荷向量{Fnr}

=内部力向量进行迭代，直到{F}-{Fnr}在允许误差范围内这一过程在每一载荷增量中继续，直到施加完整个外部载荷。DisplacementF[KT]1234次平衡迭代FnrDu14.1.2非线性分析的内容一个典型的非线性分析包括以下内容：①一个或更多的载荷步来施加外部载荷以及边界条件。(这对于线性分析也同样适用)②多个子步来逐渐施加载荷。每一子步代表一个载荷增量。(线性分析每一载荷步仅需要一个子步)③平衡迭代以获得在每一子步的平衡(或收敛)。(不适用于线性分析)“时间"外载荷子步LS1载荷步(LS2)14.1.3时间和时间步每一载荷步和子步与一个具体的时间相对应在大多数非线性静力分析中，时间只是被用作一个计数器，并不意味着实际的时间“时间”外载荷1.02.0缺省情况下，在第一载荷步末赋与时间为1.0，在第二载荷步末赋与时间为2.0，以此类推。对于率不相关分析，为方便起见，你可以设置时间为任何期望的值。例如：将时间设置与载荷大小相等，你将会很容易地绘制载荷－变形曲线。14.1.3时间和时间步(续)两个子步间的时间增量是时间步长t时间步长决定了在一个子步中的载荷增量。时间步长越大，载荷增量越大，因此时间步长对求解的精度有直接的影响ANSYS具有一个自动时间步长的功能，它会在一个载荷步的所有子步中预测并控制时间步长“时间”外载荷1.02.0DtDF14.1.4非线性分析的典型步骤假定几何模型与网格划分已完成，非线性分析的典型步骤如下：1.确定分析类型(通常为静态)2.确定求解控制选项Solution>Sol’nControl3.施加载荷4.保存数据库5.求解14.1.4非线性分析的典型步骤(续)常用的求解控制选项是：①小或大变形；②时间和时间步或子步数；③输出控制12314.2非线性结构的定义在日常生活中，会经常遇到结构非线性例如：无论何时用钉书针钉书，金属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状14.2非线性结构的定义(续)如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂14.2非线性结构的定义(续)当在汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量而变化如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征─变化的结构刚性14.3非线性行为的原因引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态变化(包括接触)几何非线性材料非线性14.3.1状态变化(包括接触)许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为，例如：一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的，也可能是不接触的。冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也许和载荷直接有关(如在电缆情况中)，也可能由某种外部原因引起(如在冻土中的紊乱热力学条件)。ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。14.3.2几何非线性

如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。一个垂向刚性的例子：随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。14.3.3材料非线性非线性的应力－应变关系是结构非线性的常见原因。许多因素可以影响材料的应力－应变性质，包括：加载历史(如在弹－塑性响应状况下)环境状况(如温度)加载的时间总量(如在蠕变响应状况下)14.4逐步递增载荷和平衡迭代近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量。可以在几个载荷步内或者在一个载步的几个子步内施加载荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行下一个载荷。在增量之前，程序调整刚度矩阵来反映结构刚度的非线性变化。但遗憾的是，纯粹的增量近似不可避免地产生每一个载荷增量积累误差，导致结果最终失去平衡。14.4.1牛顿－拉普森法(a)纯粹增量式解b)全牛顿－拉普森迭代求解(2个载荷增量)14.4.2弧长迭代法对某些物理意义上不稳定系统的非线性静态分析，如果你仅仅使用NR方法，正切刚度矩阵可能变为降秩矩阵，导致严重的收敛问题。这样的情况包括独立实体从固定表面分离的静态接触分析，结构或者完全崩溃或者“突然变成”另一个稳定形状的非线性弯曲问题。对这样的情况，你可以激活另外一种迭代方法—弧长方法，来帮助稳定求解。弧长方法导致NR平衡迭代沿一段弧收敛，从而即使当正切刚度矩阵的倾斜为零或负值时，也往往阻止发散。14.4.2弧长迭代法(续)传统的NR方法与弧长方法的比较14.5非线性求解的组织级别非线性求解被分成三个操作级别：载荷步、子步、平衡迭代。①“顶层”级别由在一定“时间”范围内你明确定义的载荷步组成。假定载荷在载荷步内是线性地变化的②在每一个载荷步内，为了逐步加载可以控制程序来执行多次求解(子步或时间步)③在每一个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解下图说明了一段用于非线性分析的典型的载荷历史。14.5非线性求解的组织级别(续)载荷步、子步、及“时间”14.6收敛容限当你对平衡迭代确定收敛容限时，要注意这些问题：你想基于载荷、变形，还是联立二者来确定收敛容限？既然径向偏移（以弧度度量）比对应的平移小，你是不是想对这些不同的条目建立不同的收敛准则？14.6收敛容限(续)当你确定收敛准则时，ANSYS程序会给你一系列的选择：你可以将收敛检查建立在力、力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上。另外，每一个项目可以有不同的收敛容限值。对多自由度问题，你同样也有收敛准则的选择问题。当你确定你的收敛准则时，记住以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度，而以位移为基础的收敛仅提供了表观收敛的相对量度。因此，如果需要，你应当总是使用以力为基础(或以力矩为基础)的收敛容限。如果需要可以增加以位移为基础(或以转动为基础)的收敛检查，但是通常不单独使用它们。14.6收敛容限(续)右图说明了一种单独使用位移收敛检查导致出错情况。在第二次迭代后计算出的位移很小可能被认为是收敛的解，尽管问题仍旧远离真正的解。要防止这样的错误，应当使用力收敛检查。完全依赖位移收敛检查有时可能产生错误的结果14.7子步当使用多个子步时，你需要考虑精度和代价之间的平衡；更多的子步骤（即：小的时间步）通常导致较好的精度，但以增多的运行时间为代价。ANSYS提供两种方法来控制子步数：1.子步数或时间步长

我们既可以通过指定实际的子步数，也可以通过指定时间步长控制子步数。2.自动时间步长ANSYS程序，基于结构的特性和系统的响应，来调整时间步长14.7.1子步数如果你的结构在它的整个加载历史期间显示出高度的非线性特点，而且你对结构的行为了解足够好，可以确保得到收敛的解，那么你也许能够自己确定多小的时间步长是必需的，且对所有的载荷步使用这同一时间步。(务必允许足够大的平衡迭代数)14.7.2自动时间分步如果你预料你的结构的行为将从线性到非线性变化，你也许想要在系统响应的非线性部分期间变化时间步长。在这样一种情况，你可以激活自动时间分步以便随需要调整时间步长，获得精度和代价之间的良好平衡。同样地，如果你不确信你的问题将成功地收敛，你也许想要使用自动时间分步来激活ANSYS程序的二分特点。二分法提供了一种对收敛失败自动矫正的方法。无论何时只要平衡迭代收敛失败，二分法将把时间步长分成两半，然后从最后收敛的子步自动重启动，如果已二分的时间步再次收敛失败，二分法将再次分割时间步长然后重启动，持续这一过程直到获得收敛或到达最小时间步长(由你指定)。14.8载荷和位移方向当结构经历大变形时应该考虑到载荷将发生了什么变化。在许多情况中，无论结构如何变形施加在系统中的载荷保持恒定的方向。而在另一些情况中，力将改变方向，随着单元方向的改变而变化。ANSYS程序对这两种情况都可以建模，依赖于所施加的载荷类型。加速度和集中力将不管单元方向的改变而保持它们最初的方向，表面载荷作用在变形单元表面的法向，且可被用来模拟“跟随”力。注意：在大变形分析中不修正结点坐标系方向。因此计算出的位移在最初的方向上输出。14.8载荷和位移方向(续)变形前后载荷方向14.9非线性瞬态过程的分析用于分析非线性瞬态行为的过程，与非线性静态行为的处理相似，以步长增量加载，程序在每一步中进行平衡迭代。静态和瞬态处理的主要不同是在瞬态过程分析中要激活时间积分效应。（因此，在瞬态过程分析中“时间”总是表示实际的时序。）自动时间分步和二等分特点同样也适用于瞬态过程分析。14.10非线性分析中用到的命令使用与任何其它类型分析的同一系列的命令来建模和进行非线性分析。同样，无论你正在进行何种类型的分析，你可从用户图形界面GUI选择相似的选项来建模和求解问题。“非线性实例分析（命令）”，显示了使用批处理方法用ANSYS分析一个非线性分析时的一系列命令。“非线性实例分析（GUI方法）”，显示了如何从ANSYS的GUI中执行同样的例子分析。14.11非线性分析步骤尽管非线性分析比线性分析变得更加复杂，但处理基本相同。只是在非线形分析的适当过程中，添加了需要的非线形特性。非线性静态分析是静态分析的一种特殊形式。如同任何静态分析，处理流程主要由三个主要步骤组成：

1、建模

2、加载且得到解

3、考察结果14.11.1建模这一步对线性和非线性分析都是必需的，尽管非线性分析在这一步中可能包括特殊的单元或非线性材料性质，如果模型中包含大应变效应，应力─应变数据必须依据真实应力和真实（或对数）应变表示。14.11.2加载求解在这一步中，你定义分析类型和选项，指定载荷步选项，开始有限元求解。既然非线性求解经常要求多个载荷增量，且总是需要平衡迭代，它不同于线性求解。处理过程如下：1、进入ANSYS求解器命令：/SolutionGUI：MainMenu>Solution2、定义分析类型及分析选项。分析类型和分析选项在第一个载荷步后（也就是，在你发出你的第一个SOLVE命令之后）不能被改变。ANSYS提供这些选项用于静态分析。14.11.2加载求解(续)选项：新的分析(ANTYPE)

一般情况下会使用NewAnalysis(新的分析)选项：分析类型：静态(ANTYPE)

选择Static(静态)14.11.2加载求解(续)选项：大变形或大应变选项(GEOM)

并不是所有的非线性分析都将产生大变形14.11.2加载求解(续)选项：牛顿－拉普森选项(NROPT)

仅在非线性分析中使用这个选项。这个选项指定在求解期间每隔多久修改一次正切矩阵。你可以指定这些值中的一个：

①程序选择(NROPT，ANTO)：程序基于你模型中存在的非线性种类选用这些选项中的一个。在需要时牛顿－拉普森方法将自动激活自适应下降√14.11.2加载求解(续)

②修正的(NROPT，MODI)：程序使用修正的牛顿－拉普森方法，在这种方法中正切刚度矩阵在每一子步中都被修正。在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。这个选项不适用于大变形分析。自适应下降是不可用的×14.11.2加载求解(续)③初始刚度(NROPT,INIT)：程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵这一选项比完全选项似乎较不易发散，但它经常要求更多次的迭代来得到收敛。它不适用于大变形分析。自适应下降是不可用的×14.11.2加载求解(续)选项：方程求解器对于非线性分析，使用前面的求解器(缺省选项)14.11.2加载求解(续)选项：应力刚化效应(SSTIF)

如果存在应力刚化效应选择ON。14.11.2加载求解(续)3、在模型上加载，记住在大变形分析中惯性力和点载荷将保持恒定的方向，但表面力将“跟随”结构而变化。4、指定载荷步选项。这些选项可以在任何载荷步中改变。下列选项对非线性静态分析是可用的：14.11.2加载求解(续)普通选项：时间(TIME)ANSYS程序借助在每一个载荷步末端给定的TIME参数识别出载荷步和子步。使用TIME命令来定义受某些实际物理量(如先后时间，所施加的压力，等等)限制的TIME值，程序通过这个选项来指定载荷步的末端时间。注意：在没有指定TIME值时，程序将依据缺省自动地对每一个载荷步按1.0增加TIME(在第一个载荷步的末端以TIME=1.0开始)。14.11.2加载求解(续)普通选项：时间步的数目(NSUBST)普通选项：时间步长(DELTIM)

非线性分析要求在每一个载荷步内有多个子步(或时间步；这两个术语是等效的)从而ANSYS可以逐渐施加所给定的载荷，得到精确的解。NSUBST和DELTIM命令都获得同样的效果(给定载荷步的起始、最小、及最大步长)。NSNBST定义在一个载荷步内将被使用的子步的数目，而DELTIM明确地定义时间步长。如果自动时间步长是关闭的，那么起始子步长用于整个载荷步。缺省时是每个载荷步有一个子步。14.11.2加载求解(续)普通选项：渐进式或阶跃式的加载在与应变率无关的材料行为的非线性静态分析中通常不需要指定这个选项，因为依据缺省，载荷将为渐进式的，阶跃式的载荷(KBC,1)除了在率─相关材料行为情状下(蠕变或粘塑性)，在静态分析中通常没有意义。14.11.2加载求解(续)普通选项：自动时间分步(AUTOTS)

这一选项允许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步(子步)长。缺省时是OFF(关闭)。14.11.2加载求解(续)你可以用AUTOTS命令打开自动时间步长和二分法。通过激活自动时间步长，可以让程序决定在每一个载荷步内使用多少个时间步。14.11.2加载求解(续)在一个时间步的求解完成后，下一个时间步长的大小基于四种因素预计：

①在最近过去的时间步中使用的平衡迭代的数目(更多次的迭代成为时间步长减小的原因)②对非线性单元状态改变预测(当状态改变临近时减小时间步长)③塑性应变增加的大小

④蠕变增加的大小14.11.2加载求解(续)非线性选项程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则。可以使用缺省的收敛准则，也可以自己定义收敛准则。14.11.2加载求解(续)非线性选项：收敛准则(CNVTOL)①缺省的收敛准则：程序将以VALUE*TOLER的值对力(或者力矩)进行收敛检查。VALUE的缺省值是在所加载荷(或所加位移、Netwton-Raphson回复力)的平方和开方，和MINREF(当SOLCONTROL,ON时其缺省为0.01；当SOLCONTROL,OFF时其缺省为1.0)中，取值较大者。TOLER的缺省值是0.00114.11.2加载求解(续)你应当几乎总是使用力收敛检查。可以添加位移(或者转动)收敛检查。对于位移，程序将收敛检查建立在当前(i)和前面(i-1)次迭代之间的位移改变上注意:如果你明确地定义了任何收敛准则(CNVTOL)，缺省准则将“失效”。因此，如果你定义了位移收敛检查，你将不得不再定义力收敛检查14.11.2加载求解(续)②用户收敛准则：使用严格的收敛准则将提高你的结果的精度，但以更多次的平衡迭代为代价。如果你想严格(或放松)你的准则，你应当改变TOLER两个数量级。一般地，你应当继续使用VALUE的缺省值；也就是，通过调整TOLER，而不是VALUE改变收敛准则。你应当确保MINREF=1.0的缺省值在你的分析范围内有意义。14.11.2加载求解(续)

③在单一和多DOF系统中检查收敛：要在单自由度(DOF)系统中检查收敛，你对这一个DOF计算出不平衡力，然后对照给定的收敛准则(VALUE*TOLER)参看这个值(同样也可以对单一DOF的位移(和旋度)收敛进行类似的检查)。然而，在多DOF系统中，需要使用不同的比较方法。14.11.2加载求解(续)ANSYS程序提供三种不同的矢量范数用于收敛检查：①无穷范数：在你模型中的每一个DOF处重复单－DOF核查②L1范数：将收敛准则同所有DOFS的不平衡力(力矩)的绝对值的总和相对照③L2范数：使用所有DOFS不平衡力(或力矩)的平方总和的平方根进行收敛检查14.11.2加载求解(续)对于下面例子，如果不平衡力(在每一个DOF处单独检查)小于或等于2.5，且如果位移的改变(以平方和的平方根检查)小于或等于0.01，子步将认为是收敛的

CNVTOL,F,5000,0.0005,0!5000*0.0005=2.5CNVTOL,U,10,0.001,2!10*0.001=0.0114.11.2加载求解(续)平衡迭代的最大次数(NEQIT)

使用这个选项来对在每一个子步中进行的最大平衡迭代次数实行限制(缺省=25)。如果在这个平衡迭代次数之内不能满足收敛准则，且如果自动步长是打开的(AUTOTS)，分析将尝试使用二分法。如果二分法是不可能的，那么，分析将或者终止，或者进行下一个载荷步，依据你在NCNV命令中发出的指示14.11.2加载求解(续)求解终止选项(NCNV)：这个选项处理四种不同的终止准则

①如果位移“太大”它建立一个用于终止分析和程序执行的准则

②它对累积迭代次数设置限制

③它对整个时间设置限制

④它对整个CPU时间设置限制14.11.2加载求解(续)弧长选项(ARCLEN)如果你预料到结构在它的载荷历史内某些点上将在物理意义上不稳定，你可以使用弧长方法来帮助获得稳定数值求解。14.11.2加载求解(续)激活弧长方法的典型的系列命令：注意－在适当的时候，你可以和弧长方法一起使用许多其它的分析和载荷步选项。但是不能和弧长方法一起使用下列选项：线搜索(LNSRCH)，时间步长预测(PRED)，自适应下降(NROPT，，，ON)，自动时间步长(AUTOTS，TIME，DELTIM)，或打开时间－积分效应(TIMINT)。14.11.2加载求解(续)线搜索选项(LNSRCH)这个选项是对自适应下降的替代。这个收敛提高工具用程序计算出的比例因子(0和1之间的值)乘以计算出的位移增量。因为线搜索算法是用来对自适应下降选项(NROPT)进行的替代，如果线搜索选项是开，自适应下降不被自动激活。不建议同时激活线搜索和自适应下降。14.11.2加载求解(续)时间步长预测──纠正选项(PRED)对于每一个子步的第一次平衡迭代你可以激活和DOF求解有关的预测。这个特点加速收敛且如果非线性响应是相对平滑的，它特别的有用。14.11.2加载求解(续)激活和杀死选项在ANSYS/Mechanical和ANSYS/LS－DYNA产品中，你可以去杀死和激活单元来模拟材料的消去和添加。程序通过用一个非常小的数(它由ESTIF命令设置)乘以它的刚度从总质量矩阵消去它的质量“杀死”一个单元。对无活性单元的单元载荷(压力，热通量，热应变，等等)同样设置为零。需要在前处理中定义所有可能的单元；不可能在SOLUTION中产生新的单元。14.11.2加载求解(续)在你的分析的后面阶段中“出生”的那些单元，在第一个载荷步前应当被杀死，然后在适当的载荷步的开始被重激活，当单元被重激活时，它们具有零应变状态，且(ifNLGEOM,ON)它们的几何选项(长度，面积等等)被修改来与它们的的现偏移位置相适应。杀死(EKILL)激活(EALIVE)改变材料性质参考号(MPCHG)另一种在求解期间影响单元行为的办法是来改变它的材料性质参考号。这个选项允许你在载荷步间改变一个单元的材料性质。EKILL适用于大多数单元类型。MPCHG适用于所于单元类型。14.11.2加载求解(续)输出控制选项①打印输出(OUTPR)使用这个选项来在输出文件(Jobname.out)中包括进便所想要的结果数据。14.11.2加载求解(续)②结果文件输出(OUTRES)这个选项控制结果文件中的数据(Jobname.rst)OUTPR和OUTRES用来控制结果被写入这些文件的频率14.11.2加载求解(续)③结果外推(ERESX)这个选项，依据缺省，拷贝一个单元的积分点应力和弹性应变结果到结点而替代外推它们，如果在单元中存在非线性（塑性，蠕变，膨胀）的话。积分点非线性变化总是被拷贝到结点。14.11.2加载求解(续)5、存储基本数据的备份副本于另一文件命令：SAVEGUI：UtilityMenu>File>SaveAs6、开始求解计算命令：SOLVEGUI：MainMenn>Solution>-Solve-CurrentLS7、如果你需要定义多个载荷步，对每一个其余的载荷步重复步骤3至68、离开SOLUTION处理器命令：FINISHGUI：关闭Solution菜单14.11.3考察结果来自非线性静态分析的结果主要由位移、应力、应变、以及反作用力组成。可以用POST1，通用后处理器，或者用POST26，时间历程后处理器，来考察这些结果。记住，用POST1一次仅可以读取一个子步，且来自那个子步的结果应当已被写入Jobname.rst(载荷步选项命令OUTRES控制哪一个子步的结果被存储入Jobname.rst)。14.11.3.1用POST1考察结果1、检查你的输出文件(Jobname.out)是否在所有的子步分析都收敛。·如果不收敛，你可能不想后处理结果，而是想确定为什么收敛失败。·如果你的解收敛，那么继续进行后处理。2、进入POST1。如果用于求解的模型现在不在数据中，发出RESUME。命令：POST1GUI：MainMenu>GeneralPostproc14.11.3.1用POST1考察结果3、读取需要的载荷步和子步结果，这可以依据载荷步和子步号或者时间来识别，然而，不能依据时间识别出弧长结果。命令：SETGUI：MainMenn>GeneralPostproc>ReadResults-Loadstep14.11.3.1用POST1考察结果(续)非线性果的线性内插可能引起某些误差注意：如果你指定了一个没有结果可用的Time值，ANSYS程序将进行线性内插来计算出那Time处的结果。认识到在非线性分析中这种线性内插通常将导致某些精度损失。因此，对于非线性分析，通常你应当在一个精确地对应于要求子步的TIME处进行后处理。14.11.3.1用POST1考察结果(续)4、使用下列任意选项显示结果选项：显示已变形的形状命令：PLDISPGUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShapes在大变形分析中，一般优先使用真实比例显示(IDSCALE，，1)14.11.3.1用POST1考察结果(续)选项：等值线显示命令：PLNSOL或者PLESOLGUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-NodalSolu或者ElementSolu

使用这些选项来显示应力，应变，或者任何其它可用项目的等值线。如果邻接的单元具有不同材料行为(可能由于塑性或多线性弹性的材料性质，由于不同的材料类型，或者由于邻近的单元的死活属性不同而产生)，你应当注意避免你的结果中的结点应力平均错误。14.11.3.1用POST1考察结果(续)你可以绘制单元表数据和线单元数据的等值线：命令：PLETAB，PLLSGUIS：MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>PlotElementTableMainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-LineElemRes使用PLETAB命令(GUI路径MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>Plot*ElementTable)来绘制单元表数据的等值线，用PLLS(GUI路径MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>LineelemRes)来绘制线单元数据的等值线。14.11.3.1用POST1考察结果(续)选项：列表命令：PRNSOL(结点结果)PRESOL(结果)PRRSOL(反作用力数据)PRETABPRITER(子步总计数据)等等NSORT(节点数据列表之前先排序)ESORT(单元数据列表之前先排序)14.11.3.1用POST1考察结果(续)GUIS：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolution其它的性能许多其它的后处理函数──在路径上映射结果。记录，参量列表，等等──在POST1中是可用的。对于非线性分析，载荷工况组合通常是无效的。14.11.3.2用POST26考察结果同样地你可以使用POST26，时间─历程后处理器考察非线性结构的载荷──历程响应。使用POST26比较一个ANSYS变量对另一个变量的关系。例如，你可以用图形表示某一结点处的位移与对应的所加载荷的关系，或者你可以列出某一结点处的塑性应变和对应的TIME值之间的关系。14.11.3.2用POST26考察结果(续)典型的POST26后处理顺序可以遵循以下步骤：1、根据你的输出文件(Jobname.OUT)检查是否在所有要求的载荷步内分析都收敛。你不应当将你的设计决策建立在非收敛结果的基础上。2、如果你的解是收敛的，进入POST26，如果现与你的模型不在数据库内，发出RESUME命令。命令：POST26GUI：MainMenu>TimeHistPostpro14.11.3.2用POST26考察结果(续)3、定义在后处理期间使用的变量。命令：NSOLESOLRFORCLGUI：MainMenu>TimeHistPostproc>DefineVariables14.11.3.2用POST26考察结果(续)4、图形或者列表显示变量。命令：PLVAR（图形表示变量）PRVAREXTREM（列表变量）GUIS：MainMenu>TimeHistPostprac>GraphVariableSMainMenu>TimeHistPostproc>ListVariablesMainMenu>TimeHistPostproc>ListExtremes14.11.3.2用POST26考察结果(续)终止正在运行的工作：重起动你可以通过产生一个“abort”文件(Jobname.abt)停止一个非线性分析。一旦求解成功地完成，或者收敛失败发生，程序也将停止分析。如果一个分析在终止前已成功地完成了一次或多次迭代，你可以屡次重启动它！14.12子弹冲击刚性壁在这个实例分析中，你将进行一个子弹冲击刚性壁的非线性分析。问题描述一个子弹以给定的速度射向壁面。壁面假定是刚性的和无摩擦的。将研究子弹和壁面接触后达80微秒长的现象。目的是确定子弹的整个变形，速度历程，以及最大等效VonMises应变。求解使用SI单位。用轴对称单元模拟棒。求解最好能通过单一载荷步实现。在这个载荷步中，将同时施加初始速度和约束。将圆柱体末端的节点Y方向约束住以模拟一固壁面。打开自动时间分步来允许ANSYS确定时间步长。定义分析结束的时间为8E-5秒，以确保有足够长的时间来扑捉整个变形过程。14.12子弹冲击刚性壁(续)问题详细说明下列材料性质应用于这个问题：EX=117.0E09(杨氏模量）DENS=8930.0（密度）NUXY=0.35（泊松比）YieldStrength=400.0OE06（屈服强度）TangentModulus（剪切模量）下列尺寸应用于这个问题：长=32.4E-3m直径=6.4E-3m对于这个问题的初始速度是227.0。14.12子弹冲击刚性壁(续)铜圆柱体图解见bullet.txt14.12.1设置分析标题1、选择菜单路径：UtilityMenn>File>ChangeTitle。2、键入文字“CopperyCylinderImpactingaRigidWall”3、单击OK14.12.2定义单元类型1、选择菜单路径MailMenu>Preprocessor>ElementType>All/Edit/Delete2、单击Add。LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框出现3、在靠近左边的列表中，单击“VisioSolid”一次4、选靠近右边的列表中，单击“4nodePlas106”一次5、单击OK。LibraryofElementTypes对话框关闭14.12.2定义单元类型(续)6、单击Options(选项)。VISCO106elementtypeOptions(visco106单元类型选项)对话框出现7、在关于elementbehavior(单元特性)的卷动柜中，卷动到“Axisymmetric”且选中它8、单击OK9、单击ElementTypes(单元类型）对话框中的Close14.12.3定义材料性质1、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>-Constant-Isotropic.IsotropicMatersalProperties(各向同性材料性质)对话框出现2、单击OK来指定材料号为1。另一个IsotropicMaterialProperties对话框出现14.12.3定义材料性质(续)3、对杨氏模量（EX）键入117.0E094、对泊松比（NUXY）键入0.355、对密度（DENS）键入89306、单击OK14.12.4定义双线性各向同性强化数据表BISO1、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>MatersalProps>DataTables>Define/Activate.Define/ActivateDataTable(定义数据表）对话柜出现14.12.4定义双线性各向同性强化数据表BISO(续)2、在关于typeofdatatable(数据表类型）的卷动框中，卷动到“BilinisotrBISO”且选中它3、对materialreferencenumber(材料参考号)健入14、对numberoftemperatures(温度数)键入1和单击OK14.12.4定义双线性各向同性强化数据表BISO(续)5、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>DataTables>EditActive.DataTableBISO对话框出现6、对YLDStrs(屈服应力）键入400.0e067、对TangMod(剪切模量）键入100.0e068、选择File>Apply&Quit14.12.4定义双线性各向同性强化数据表BISO(续)9、选择菜单路径MainMenu>Preprosessor>MaterialPorps>DataTables>Graph.GraphDataTables(图形表示数据表)对话框出现10、单击OK接受绘制BISO表的缺省。一个BISO表的标绘图出现在ANSYS图形窗口中11、在ANSYSTooLbar上单击SAVE_DB14.12.5产生矩形在这一步中，你产生一个代表柱体半横截面积的矩形。1、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Area-Rectangle>ByDimensions.CreateRectanglebyDimensions(依据尺寸产生矩形）对话框出现2、对X_坐标键入0，.00323、对Y_坐标键入0，.0324然后单击OK。一个矩形出现在ANSYS图形窗口中4、选择菜单路径UtilityMenu>Plot>lines14.12.6设置单元尺寸1、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Shape&Size>-Lines-PickedLinesElementSizeOnPickedLines(关于挑选出的线的单元尺寸)选择菜单出现2、在长线中的一条上单击一次然后单击OK。ElementSizesonPickedLines对话框出现3、对numberofelementdivisions(单元划分的数目)键入20，然后单击OK4、重复步骤1和2，但这次选择短线中的一条5、对numberofelementdivisions键入4，然后单击OK14.12.7划分网格1、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>-MeshTool2、选择“quad”和“Map”，然后单击“Mesh”3、在拾取菜单出现后，选择面，然后单击“OK”4、在ANSYSToolbar上单击SAVE_DB5、选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Area-Mapped>3or4Sided.MeshAreas(对面积划分网格)选择菜单出现6、单击PickAll7、单击ANSYSToolbar上的SAVE_DB14.12.8定义分析类型和选项1、选择菜单路径MainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysis2、单击“Transient”来选中它然后单击OK。3、选择菜单路径MainMenu>Solution>AnalysisOptionsTransientAnalysis(瞬态过程分析)对话框出现4、单击OK接受完全求解方法的缺省。FullTransientAnalysis对话框出现5、单击Largedeformeffectsoption(大变型效应选项)使之为ON(开)状态然后单击OK14.12.9定义初始速度1、选择菜单路径MainMenu>Solution>-Loads-Apply>InitialCondit'n>Define.DefineInitialCondition(定义初始条件)选择菜单出现2、单击PickAll.DefineInitialConditions对话框出现3、在关于DOFtobeSpecified(要被指定的DOF)的卷动框中，卷动到“UY”且选中它4、对initialvelocity(初始速度)键入-227然后单击OK5、单击ANSYSToolbar上的SAVE_DB14.12.10施加约束1、选择菜单路径MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnNodesApplyU,ROTonNodes选择菜单出现2、单击PickAll，ApplyU,ROTonNodes对话框出现3、对于DOFstobeConstrained(要被约束的DOFs)单击“UZ”，然后单击Apply4、在选择菜单中，单击“BOX”作为选择方法5、当你拖鼠标沿X=0.1的结点周围(沿矩形左边的第一个结点集)形成一个矩形柜时要按下且保持鼠标左键6、单击Apply14.12.10施加约束(续)7、在对话框中，对于DOFstobeconstrained单击“UX”。你需要单击“UY”一次以去除它8、单击Apply9、在选择菜单中，单击“BOX”选择方法10、当你拖鼠标沿Y=0的结点周围(沿矩形底边的第一个结点集)形成一个矩形框时按下且保鼠标左键11、单击OK12、在对话框中，单击“UY”来选中它，你需要单击“UX”仅一次来淘汰它13、单击OK。现在在ANSYS图形窗口中位移符号沿矩形的左边和底边产生14.12.11设置载荷步1、选择菜单路径MainMenu>Solution>-LoadStepOptions-Time/Frequenc>time&TimeStep.Time&TimeStepOption(时间和时间步选项）对话框出现2、对timeatendofLoadStep(载荷步终止时间）键入8e-53、对timestepsize(时间步长）键入4.4e-74、单击“Stepped”来选中它5、单击automatictimesteppingoption(自动时间分步选项)使之为ON(开)状态然后单击OK14.12.11设置载荷步(续)6、选择菜单路径MainMenu>Solution>-LoadStepOptions-OutputCtrls>DB/ResultsFile。ControlsforDatabaseandResultsFileWriting(对数据库和结果文件写入的控制)对话框出现7、单击“EveryNthsubstep”(“每隔N个子步”)且选中它8、对于ValueofN(N的值）键入4然后单击OK9、单击ANSTSToolbar上的SAVE_DB14.12.12求解问题1、选择菜单路径MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS2、检阅状态窗口中的信息然后单击close3、单击SolveCurrentLoadStep(求解当前载荷步)对话框中的OK开始求解4、当求解完成时单击close14.12.13确定应变1、选择菜单路径MainMenu>GeneralPestpro>-ReadResults-LastSet2、选择菜单路径UtitlityMenu>Paramenters>ScalarParamenters3、在选择框中键入TOP_NODE=264、单击Accept,然后单击close5、选择菜单路径UtilityMenu>Paramenters>GetScalarData6、在靠近在边的框中，单击“Resultsdata”7、在靠近右边的框中，单击“Nodalresults”然而后单击OK。GetNodalResultsData(获取结点结果数据)对话框出现14.12.13确定应变(续)8、对于nameofparametertobedefined(要定义的参数名)键入DEFORM9、对于NodenumberN(结点号N)键入TOP_NODE10、在靠近右边的卷动框中，单击“UY”，然后单击OK11、选择菜单路径UtilityMenu>List>Other>Paramenters12、检阅状态窗口中的信息，弹的长度上的变化基准(DEKORM)是-010109113、单击close14.12.14绘制图形1、选择菜单路径UtilityMenu>Plotctrls>Style>DisplacementScaling.Displacement。DisplayScaling(位移显示比例)对话框出现2、单击1.0(truescale)来选中它然后单击OK3、在ANSYS输入窗口中，键入D2SCALE，1，1然后按ENTER键4、选择菜单路径MainMenn>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape.PlotDeformedShape(图示已变形的形状)对话框出现14.12.14绘制图形(续)5、单击“Def+undefedge”以选中它然后单击OK6、

选择菜单路径MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-NodalSolu.ContourNodalSolutionData(绘制结点解数据的等值线出现)7、在靠近左边的框中，单击“Strain-total”8、在靠近右边的框中，卷动到“VonMisesEPTOEQV”然后选中它9、单击OK14.12.15进入POST26在这一步中，你进入时间一历程后处理器然后定义一个变量来存储沿弹顶边的一个结点的变形1、

选择菜单路径MainMenu>TimeHistPostproc>DefineVariables.Defined。Time-HistoryVariables(定义时间一历程变量)对话框出现2、单击Add.AddTime-HistoryVariable(添加时间─历程变量)对话框出现3、单击OK以接受结点的DOF结果的缺省。DefineNodalData(定义结点数据)对话框出现14.12.15进入POST26(续)4、对referencenumberofrariable(变量的参考号)键入25、对nodenumber(结点号)键入TOP_NODE6、对user-specifiedlobel(用户指定的标签)键入DISPLACE7、对于Item,CompData项目单击“UY”8、单击OK，然后单击close14.12.16计算速度计算结点TOP─NODE处随时间变化的速度且用图表示1、选择菜单路径MainMenu>TiomeHistPostpro>MathOperations>Derivative.DerivativeofTime-HistoryVariables(时间─历程变量的从变量)对话框出现2、对referencenumberforresult(结果的参考号)键入33、对第一个变量键入2、对第二个变量3键入14、对user-specifiedlabel(用户指定的标签)键入VELOCITY，然后单击OK14.12.16计算速度(续)5、选择菜单路径UtilityMenu>Plot(>Style>Graphs.GraphControls(图形控制)对话框出现6、对Y_axisLabel键入VELOCITY然后单击OK7、

选择菜单路径MainMenu>TimeHistPostpro>GraphVariables.GraphTime-HistoryVariables(图形表示时间─历程变量)对话框出现8、对于1stvariabletograph键入了然后单击OK。图形出现在ANSYS图形窗口中14.12.17退出ANSYS1、从ANSYSToolbar选择QUIT2、单击你想要的存储选项，然后单击OK14.12.18批处理方式fini/cle/title,coppercylinderimpactingarigidwall/prep7et,1,visco106keyopt,1,3,1mp,ex,1,117e9mp,dens,1,8930mp,nuxy,1,0.35tb,biso,1,1,,0tbmodif,2,1,4e8tbmodif,3,1,1e8tbplot,biso,1rectng,0,0.0032,0,0.0324lesize,2,,,20,1lesize,1,,,4,1mshape,0,2dmshkey,1amesh,1非线性静态实例分析(命令或批处理方式)你可以用下面显示的ANSYS命令替代GUI选择进行铜柱体冲击刚性壁的非线性静态实例分析。以叹号(!)开头的条目是注释。14.12.18批处理方式(续)fini/soluantype,4trnopt,fulllumpm,onlgeom,1ic,all,uy,,-227d,all,,0,,,,uznsel,s,loc,x,0d,all,,0,,,,uxnsel,s,loc,y,0d,all,,0,,,,uyallseltime,8e-5autots,1deltim,4.4e-7kbc,1outres,all,4solvefini/post1set,lasttop_node=26*get,deform,node,top_node,u,y/dscale,1,1pldisp,2plnsol,epto,eqvfini/post26nsol,2,top_node,u,y,displacederiv,3,2,1,,velocity,,,1/axlab,y,velocityplvar,3fini14.12.19其它例子ANSYSVerificationManual,描述了一些另外的非线性分析实例。下表显示给你一些VerificationManual包括的非线性分析例子：VM7管组装的塑性压缩VM11残余应力问题VM24矩形梁的塑性VM38受压厚壁柱体的塑性加载VM56内部受压的超弹性厚柱体VM78悬替梁中的横向剪切应力VM80对突然施加恒力的塑性响应VM104液一固相变VM124蓄水池中水的排出14.12.19其它例子(续)VM126流动流体的热传导VM132由于蠕变辉栓的应力消除VM133由于辐射感应蠕棒的运力VM134一端固定梁的塑性弯曲VM146钢盘混凝土梁的弯曲VM165铁性导体的载流VM198面内扭转实验的大应变VM199承受剪切变形的物体的粘弹性分析VM200粘弹性的叠层密封分析14.13大挠度拱梁说明浅拱受到跨中载荷为20,000N的作用。用线性和非线性(大挠度)两种分析分别确定跨中位移，比较它们的结果。(见arch-beam.txt)14.13大挠度拱梁(续)载荷和材料属性14.13大挠度拱梁(续)1. 进入ANSYS，建立拱梁模型2. 在整体柱坐标系中定义四个关键点:关键点1的坐标(1270,75),关键点2的坐标(1270,90),关键点3的坐标(1270,105),关键点4的坐标(1270sin45,90).关键点4是方向关键点UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindricalMainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS…UtilityMenu>Parameters>AngularUnits...14.13大挠度拱梁(续)或用命令:/PREP7CSYS,1K,1,1270,75K,2,1270,90K,3,1270,105*AFUN,DEGK,4,(1270*SIN(45)),9014.13大挠度拱梁(续)4. 在关键点1和关键点2间定义线（弧），在关键点2和3间定义线:MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>InActiveCoord+或用命令:L,1,2L,2,314.13大挠度拱梁(续)5. 定义单元类型为BEAM189,定义材料特性(EX=210e3MPa,PRXY=0.3):MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete…MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels…Structural–Linear–Elastic-Isotropic或用命令:ET,1,BEAM189MP,EX,1,210E3MP,PRX